[論文レビュー] Fully integrated ultra-low power Kerr comb generation

Brian Stern, Xingchen Ji+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用数 178

ひとこと要約

本論文は、低損失のシリコン窒化物を用いた初の完全統合Kerr周波数コム源を実証し、100 nm超の帯域幅を持つソリトン・モードロックコムを、電力ポンプがわずか98 mWで実現するという新規のデュアルキャビティ・オンチップ構成で達成した。

ABSTRACT

Optical frequency combs are broadband sources that offer mutually-coherent, equidistant spectral lines with unprecedented precision in frequency and timing for an array of applications. Kerr frequency combs in microresonators require a single-frequency pump laser and have offered the promise of highly compact, scalable, and power efficient devices. Here, we realize this promise by demonstrating the first fully integrated Kerr frequency comb source through use of extremely low-loss silicon nitride waveguides that form both the microresonator and an integrated laser cavity. Our device generates low-noise soliton-modelocked combs spanning over 100 nm using only 98 mW of electrical pump power. Our design is based on a novel dual-cavity configuration that demonstrates the flexibility afforded by full integration. The realization of a fully integrated Kerr comb source with ultra-low power consumption brings the possibility of highly portable and robust frequency and timing references, sensors, and signal sources. It also enables new tools to investigate the dynamics of comb and soliton generation through close chip-based integration of microresonators and lasers.

研究の動機と目的

• シリコン窒化物プラットフォーム上で完全に統合されたKerr周波数コム源を実証する。
• マイクロ共振器とレーザーキャビティの統合が超低電力動作を可能にすることを示す。
• ノイズ特性が低いソリトン・モデルockedコムを>100 nmの帯域にわたって達成する。
• 統合の柔軟性と性能を高めるデュアルキャビティ構成を導入する。）

提案手法

• 極めて低損失のシリコン窒化物導波路を用いて、マイクロ共振器と統合レーザーキャビティの双方を形成する。
• 完全統合を実現するための新規デュアルキャビティ構成を実装する。
• Kerr周波数コムを生成し、ソリトン・モードロック動作を示すためにノイズと帯域幅を評価する。
• スペクトルスパン、ポンプ電力、コムの安定性を測定して性能を評価する。
• 統合デバイスの性能を、非統合機器や高電力プラットフォームと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr周波数コム源を超低電力消費でオンチップに完全統合できるか。
• RQ2 シリコン窒化物上でマイクロ共振器とレーザーキャビティを統合した場合、どのスパンと電力が達成可能か。
• RQ3 デュアルキャビティ構成は、低ノイズのソリトン状態を伴う柔軟な完全統合Kerrコム生成を実現するか。

主な発見

• シリコン窒化物プラットフォーム上で完全統合Kerrコム源を達成。
• ノイズの低いソリトン・モードロックコムが100 nm超のスパンにわたって。
• コムを生成するのに必要な電力はわずか98 mW。
• 単一デバイスにおけるマイクロ共振器とレーザーキャビ cavityの統合を実証。
• デュアルキャビティ構成は設計の柔軟性と統合上の利点を提供。